Bài giảng Vận hành và điều khiển hệ thống điện: Chương 4 - Võ Ngọc Điền (Phần 1)

Bài giảng Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 4.1: Điều khiển tần số trong HTĐ trình bày các đặc tính điều chỉnh tốc độ của tuabin, nguyên tắc điều chỉnh tốc độ, quá trình điều chỉnh tần số,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

do sự biến đổi của công suất tác dụng.

* Để tần số không vượt ra ngoài phạm vi cho phép,phải không ngừng điều chỉnh

S ơ đồ đ i ề u khi ể n t ầ n s ố và đ i ệ n áp máy phát

* Điều kiện cần để điều chỉnh tần số là công

suất nguồn điện phải lớn hơn công suất yêu cầucủa phụ tải

* Điều kiện đủ là phải có thiết bị điều chỉnh

được công suất đó

* Để điều chỉnh tần số có thể dùng phương pháp thay đổi tốc độ quay của tuabin

* Hệ thống điều chỉnh tần số dựa trên cơ sở

đóng hoặc mở van điều tiết lượng hơi hoặc khíđưa vào tuabin

* Ảnh hưởng của sự thay đổi tần số:

Nếu tần số xuống quá thấp khoảng 45-46 Hz sẽ cónguy cơ xảy ra hiện tượng suy tần

Tần số tự động suy giảm do các nhà máy nhiệt điệnmất khả năng phát công suất, dẫn đến sự mất ổnđịnh hệ thống

Hiện tượng này rất nguy hiểm có thể làm tan rã hệ thống.

1 Đặc tính điều chỉnh tốc độ của tuabin

Khả năng điều chỉnh công suất của tuabin khitốc độ quay thay đổi được và được xác định bởi:

- Độ dốc của đặc tính điều chỉnh của bộ điềuchỉnh tốc độ

- Đặc tính này được trình bày trên hình 6.1

Hình 6.1

Ví dụ: khi tần số giảm từ f đm đến f 1 , công suất phát tăng từ P F2 đến P F1 , khi công suất đã tăng đến công suất định mức hoặc công suất hạn chế nào đó thì dù tần số có tiếp tục giảm công suất cũng không tăng thêm được nữa.

* Khi tần số biến đổi, công suất tuabin sẽ biến đổitheo hướng phục hồi tần số ban đầu

* Sau khi tần số được phục hồi do các điều chỉnh cốđịnh khác trong hệ thống, công suất phát của tuabinlại trở về giá trị ban đầu

2 Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ

bởi độ dốc của đặc tính điều chỉnh.

Độ dốc của đặc tính điều chỉnh được định nghĩabằng biểu thức:

Hệ số điều chỉnh tốc độ còn được gọi là độ dốchay độ phụ thuộc

(6.1)

dm Fdm

F F

f

f P

P

dm

F F F

f f f

P P P

Từ (6.1) ta suy ra được mối quan hệ giữa độ

biến đổi công suấtvàđộ biến đổi tần số :

Trong thực tế:

K F = 15 – 25 (đối với tuabin hơi)

K F = 25 – 50 (đối với tuabin thủy điện)

(6.2)

dm

Fdm

dm F Fdm F

f

f R

P f

f K P

∆

3 Đặc tính công suất theo tần số

của phụ tải:

Khi thay đổi số lượngthiết bị dùng điện, tứclà thay đổi công suấtyêu cầu của phụ tải ởtần số định mức thìđặc tính dịch chuyểnlên (xuống) song songtheo tung độ

Hình 6.2

Ví dụ: ở fđm nếu tăng công

suất yêu cầu của phụ tải lên∆P thì sẽ có đặc tính số

2 trên hình 6.2.

4 Quá trình điều chỉnh tần số:

Quá trình điều chỉnh tần số gồm ba giai đoạn:

1 Điều chỉnh cấp 1 hay điều chỉnh tốc đoä (điềuchỉnh sơ cấp), do thiết bị tự động điều chỉnh tốcđộ của máy phát tự động thực hiện, giữ tần số ởgiá trị chấp nhận được

2 Điều chỉnh cấp 2 hay điều chỉnh tần số, do điềuđộ viên thực hiện hoặc tự động thực hiện nhờthiết bị tự động điều chỉnh tần số

Đưa tần số về giá trị định mức hoặc trong miềnđộ lệch cho phép tùy thuộc hệ thống điều tần sửdụng

3. Điều chỉnh cấp 3 nhằm mục đích phân bố lạicông suất giữa các nhà máy điện theo điều kiệnkinh tế

Điều chỉnh cấp 1 là quá trình biến đổi tức thời công

suất phát khi công suất phụ tải thay đổi nhờ các bộ điều chỉnh tốc độ của các tua bintrong hệ thống

Hình 6.3

Giao điểm O giữa đặc tính ban đầu của máy phát 1 và đặc tính của phụ tải I ứng với công suất yêu cầu ban đầu Ppt (đó là điểm cân bằng công suất xác định chế độ xác lập của hệ thống điện ở tần số định mức)

Hình 6.3

Điểm cân bằng công suất

Giả thiết rằng công suất yêu cầu của phụ tảităng thêm ∆P, ta có đặc tính mới của phụ tải là IIứng với (Ppt+ ∆P)

Hình 6.3

Phụ tải tăng

Điểm cân bằng mới

Phụ tải tăng lên làm cho tần số giảm đi và bộ điềutốc bắt đầu hoạt động tăng công suất phát lên theođặc tính điều chỉnh

Hình 6.3

Phụ tải tăng

Điểm cân bằng mới

Ở điểm 1 ta có điểm cân bằng công suất mới ứng vớitần số fl< fđm Sở dĩ tần số bị giảm vì thiết bị điều tốcchỉ có thể tăng thêm lượng công suất ∆PF nhỏ hơncông suất yêu cầu thêm∆P

Hình 6.3

Phụ tải tăng

Điểm cân bằng mới

Để thích nghi, công suất thực dùng phải giảm đi

∆Ppt

Hình 6.3

Phụ tải tăng

Điểm cân bằng mới

Như vậy, quá trình điều chỉnh cấp 1 không cho phépphục hồi tần số ban đầu, nó chỉ làm cho tần sốkhông giảm thấp hoặc không tăng quá giới hạn chophép

* Nếu không có điều chỉnh cấp 1 thì tần số sẽ giảmđến f2 ứng với điểm 3 Trong trường hợp này côngsuất thực dùng giảm đi một lượng đúng bằng côngsuất yêu cầu thêm∆P

Hình 6.3

Có điều chỉnh cấp 1

Không có điều chỉnh cấp 1

Một trường hợp khác:

Không có điều chỉnh cấp 1

* Tính toán điều chỉnh

tần số cấp 1:

* Xác định độ giảm, tăng tần số có thể xảy ra, khi phụ tải thay đổi

* Tìm biện pháp để tần số không ra khỏi phạm vi cho phép

Khi tần số giảm ∆f, tính được độ tăng thêm công suất của tổ máy i:

Tổng công suất phát tăng thêm của hệ thống là:

(6.6)

(6.7)

KFhtlà độ dốc của đặc tính điều chỉnh chung củanguồn điện trong hệ thống

(6.10)

(6.16)

5 BÀI TẬP

Bài 1:Hệ thống điện gồm 6 tổ máy, trong đó:

3 tổ máy có PFđm = 100 MW và KF= 15Các tổ máy còn lại có PFđm = 200 MW, KF= 15Phụ tải có công suất Ppt= 700 MW và Kpt= 1,5

Tính điều chỉnh sơ cấp khi phụ tải tăng thêm 70

MW, sao cho tần số không vượt quá ±±±± 0,2Hz so với tần số định mức.

Bài 2:Hệ thống điện có phụ tải 1260 MW, Kpt= 1,5;

phụ tải giảm đột nhiên 60 MW.

Tính độ lệch tần số khi không có điều chỉnh tốc độ và khi hệ thống có dự trữ quay 240 MW, có điều tốc với K Fht = 20 (nếu tất cả các tổ máy đều có thể điều tốc) Cho rằng chỉ có 80% công suất phát tham gia điều tốc.

Bài 3:

Hệ thống điện gồm 4 tổ máy, trong đó:

2 tổ máy có PFđm= 100 MW và KF= 15 (Hệ số KFnày có thể thay đổi từ 15 - 20) Các tổ máy còn lại có PFđm = 200 MW,KF =15 (Hệ số KFnày có thể thay đổi từ 15 - 20)

Phụ tải có công suất Ppt= 500 MW vàKpt=1,5.

Tính điều chỉnh sơ cấp khi phụ tải tăng thêm 70

MW, sao cho tần số không vượt quá ±±±± 0,2Hz so với tần số định mức.

Nếu không thể thực hiện điều chỉnh tần số bằng cách điều chỉnh hệ số K F của các tổ máy thì cần phải cắt giảm phụ tải và lượng cắt đó là bao nhiêu?

Bài 4:

Hệ thống điện gồm 5 tổ máy, trong đó:

3 tổ máy có PFđm= 150 MW và KF= 16 Các tổ máy còn lại có PFđm= 200 MW và KF=17,2 Phụ tải có công suất Ppt= 650 MW vàKpt=1,7 Khi phụ tải tăng, giá trị của tần số giảm đi 0,2% so với giá trị định mức (f = 50Hz).

Hãy cho biết:

- Lượng tăng của phụ tải là bao nhiêu ?

- Các máy phát tham gia điều tần sẽ phát thêm công suất bao nhiêu ?

Bài 5:

Hệ thống điện có:

- Tổng phụ tải là Ppt= 1450 MW và Kpt= 1,5.

- Phụ tải tăng đột ngột, 75 MW.

Hãy tính độ lệch tần số khi:

a Không có điều tốc.

b Có điều chỉnh tần số với K F = 18.

c Có điều chỉnh tần số nhưng chỉ với 70% công suất tham gia điều tốc.

Biết công suất dự trữ nóng của hệ thống là 350 MW.

Bài 6:

Hệ thống điện có 6 tổ máy phát với các thông số như sau:

Máy phát PF(MW) Số lượng KF

- Tổng phụ tải: 650 MW và Kpt= 1,5

Hỏi cần phải có thêm lượng dự phòng bao nhiêu để khi phụ tải tăng thêm 80 MW thì tần số không lệch quá – 0,2 (Hz) so với giá trị định mức.

- Tổng phụ tải: 850 MW và Kpt= 1,5

- Phụ tải đột ngột tăng thêm 90 MW.

Hãy xác định độ lệch tần số của hệ thống khi:

a Không có điều tốc.

b Có điều chỉnh tần số với sự tham gia của tất cả các máy phát.

c Chỉ có nhóm I và nhóm II tham gia điều tần.

Điều chỉnh cấp 2là quá trình tăng công suất củamáy phát điện điều tần lên để đưa tần số trở vềđịnh mức (hoặc là khi phụ tải giảm thì giảmcông suất phát), thực hiện bằng tay hoặc tựđộng.

Tăng công suất phát được thực hiện bằng cáchtăng thêm hơi vào tuabin hoặc mở rộng thêm cửanước của thủy điện

Đó chính là quá trình dịch chuyển đặc tính côngsuất phát đến đường 2 (hình 6.4), ở đây tần số fđmđược khôi phục, công suất phụ tải yêu cầu thêm

∆P được đáp ứng hoàn toàn

Trong các hệ thống điện nhỏ thường chỉ có mộthoặc một vài tổ máy làm nhiệm vụ điều tần, còncác máy phát khác có đặt tự động điều chỉnh tốcđộ thì chỉ tham gia điều chỉnh tốc độ

Khi phụ tải tăng, các nhà máy này tạm thời tăngthêm công suất nhờ điều chỉnh tốc độ

Sau khi quá trình điều tần bắt đầu, tần số tănglên thì các tổ máy này lại tự động giảm côngsuất phát

Khi quá trình điều tần kết thúc thì các tổ máynày lại phát công suất như trước khi có sự tăngyêu cầu của phụ tải

Toàn bộ công suất yêu cầu thêm sẽ do nhà máy cóđiều tần đảm nhiệm

Khi yêu cầu của phụ tải giảm, quá trình xảy ra cũngtương tự, các tổ máy có điều chỉnh tốc độ tạm thờigiảm công suất phát để giữ tần số

Sau quá trình điều chỉnh tần số chúng sẽ phát lạinhư cũ, chỉ tổ máy điều tần giảm công suất để đápứng phụ tải

Nếu tất cả các tổ máy đều có bộ tự dộng điềuchỉnh tần số thì trong các điều kiện nhất định cóthể kết hợp điều tần và phân bố tối ưu công suất

Nếu không thì điều chỉnh cấp 3 sẽ phải thực hiệnbằng tay sau khi điều chỉnh cấp 2 hoàn thành

* Tính toán điều chỉnh tần số cấp 2:

Để có thể điều chỉnh tần số, tổ máy điềutần phải luôn có phạm vi điều chỉnh công suất

∆P đủ lớn về cả hai phía, nghĩa là công suấtphát PFphải thỏa mãn điều kiện:

Phạm vi điều chỉnh được xác định theo điều kiệnsau:

Khi phụ tải tổng của hệ thống điện biến đổi nhanhnhất, phạm vi điều chỉnh phải đảm bảo duy trì tần sốtrong giới hạn cho phép, cho đến khi điều độ viênkịp thi hành các biện pháp tăng công suất của cácnhà máy, khôi phục lại phạm vi điều chỉnh Thờigian này ước chừng 10 phút

Phạm vi điều chỉnh gồm hai phần:

* Một phần sử dụng trong điều chỉnh sơ cấp

đó là công suất biến đổi do điều chỉnh tốc độ

∆P’đc (vì tổ máy điều tần cũng tham gia vàoquá trình điều tốc ban đầu)

* Phần thứ hai là phạm vi cần thiết cho điều chỉnh cấp 2 ∆∆∆∆P”đc

•Nếu thay:

Độ dốc của tổ máy điều tần thường caohơn tổ máy còn lại để trong điều chỉnh sơ cấp tổmáy điều tần nhận nhiều phụ tải hơn các tổ máykhác

Tổ máy điều tần phải đảm bảo phần còn thiếu đểgiữ tần số trong phạm vi cho phép.

Sau đó ta có:

Bài tập (tiếp theo)

Bài 8: Xác định phạm vi điều chỉnh cần thiếtcủa tổ máy điều tần với các điều kiện:

∆fcp = - 0,1Hz, KF = KFht = 10; Kpt = 1; Kdt =1,05; n = 0,05; m = 0,1

Hướng dẫn giải bài tập

Phần sử dụng trong điều chỉnh cấp 2:

Phần sử dụng trong điều chỉnh sơ cấp:

Áp dụng các công thức sau:

Cuối cùng, để có thể điều chỉnh tần số tổ máy điều tần phải có phạm vi điều chỉnh công suất là:

Bài 9:

Hệ thống điện gồm 6 tổ máy, trong đó:

3 tổ máy có PFđm= 100 MW và KF= 15 Các tổ máy còn lại có PFđm= 200 MW, KF= 15 Phụ tải có công suất Ppt= 700 MW và Kpt= 1,5.

Thực hiện điều chỉnh 2 cấp khi phụ tải tăng thêm

70 MW, sao cho tần số không vượt quá 0,2Hz so với tần số định mức.

Biết rằng m=0,1; n =0,05.

3 Điều chỉnh cấp 3:

Mục đích của điều chỉnh cấp 3 là phân bố lại côngsuất theo điều kiện tối ưu Khi xảy ra dao độngcông suất phụ tải, hệ thống điện phải làm hainhiệm vụ: thay đổi công suất phát của các nhàmáy điện để duy trì tần số ở mức bình thường,đồng thời giữ được phân bố công suất giữa các tổmáy theo điều kiện tối ưu, cho chi phí sản xuất nhỏnhất

Trong thực tế có hai quá trình biến đổi phụ tải xếp chồng lên nhau, đó là:

* Quá trình biến đổi đều và chậm của tổng phụ tải

* Quá trình dao động không đều và ngẫu nhiên của phụ tải.

•* Dao động chậm hơn có biên độ 0,5 đến 1,5%

trong một số phút

Thiết bị điều chỉnh cấp 2 không kịp tác động vớicác dao động nhanh 5 đến 10s của phụ tải (điềuchỉnh cấp 2 tác động chậm khoảng 30 đến 40s đểđảm bảo sự ổn định của điều chỉnh cấp 1 và cấp 2)

Điều chỉnh cấp 2 sẽ tác động với các dao độngchậm 5 đến 10 phút

Trong các hệ thống điện lớn công suất của một tổmáy chỉ bằng 2 đến 5% công suất phụ tải hệ thống,

do đó dao động 1% cũng tương ứng với 50 đến 20%

công suất tổ máy Biến đổi nhanh 20 đến 50% côngsuất về cả hai phía là không hợp lý về kinh tế, hơnnữa một tổ máy công suất không lớn làm không thểbảo đảm chất lượng điều chỉnh tốt

Vì lý do đó, trong đại bộ phận các trường hợp, hợplý hơn cả là tách phân bố tối ưu công suất giữa cáctổ máy ra khỏi quá trình điều chỉnh cấp 2 và gọi làquá trình điều chỉnh cấp 3

Quá trình phân bố tối ưu công suất có thể thực hiệnchậm hơn, ví dụ: người ta kiểm tra lại phân bố côngsuất sau 15 đến 20 phút hoặc sau khi tổng công suấtbiến đổi được 2 đến 4%

Sẽ có rất nhiều nhà máy điện tham gia điều chỉnhcấp 2 do đó điều chỉnh có chất lượng rất cao, đồngthời độ lệch của công suất các tổ máy khỏi giá trịtối ưu cũng không lớn quá

Trong điều chỉnh tần số, nếu cho công suất chỉnhđịnh PCi là công suất tối ưu thì công suất của tổmáy điều tần sẽ dao động gần quanh giá trị tối ưunày

Nếu kiểm tra lại phân bố công suất sau 15 đến 20phút 1 lần thì lúc đó thay đổi công suất chỉnh định

PCi của điều chỉnh cấp 2 thực hiện bằng tay

Còn nếu kiểm tra theo độ biến đổi công suất thì từcông suất tính ra độ lệch tần số hoặc thời gian điệntương ứng rồi tiến hành kiếm tra theo độ lệch tầnsố hoặc thời gian điện